El experimento ALPHA-2 mejora en dos órdenes de magnitud la separación hiperfina en el espectro del antihidrógeno. Se publica en Nature en 2026 la medida con 24 000 antiátomos (replicaciones de unos 1500 antiátomos atrapados) hasta 4 ppm (partes por millón) de la separación hiperfina del nivel 1S del antihidrógeno (la frecuencia asociada a esta separación hiperfina es a1S/h = 1420404.8 ± 1.1 (stat) ± 5.6 (sys) kHz). Este resultado mejora la misma medida de ALPHA publicada en Nature en 2017 con 194 antiátomos (replicaciones de unos 20 antiátomos atrapados) que logró 400 ppm (a1S/h = 1420.4 ± 0.5 MHz). Entre ambas medidas se han realizado muchas mejoras en el experimento, como usar dos campos magnéticos de 1.03 T (teslas) y 1.07 T en lugar de solo 1.03 T, grandes mejoras en la caracterización de la forma precisa del potencial magnético que atrapa los antihidrógenos y en el control de la derivada axial de dicho campo magnético (en 2026 menor de 2 T/m², unas 20 veces menor que en 2017).
La gran diferencia en estos 9 años ha sido la estadística (24 000 antiátomos analizados versus 194). El nuevo resultado implica una mejora en la verificación de la invarianza CPT con antihidrógeno de dos órdenes de magnitud. Pero lo más interesante es que se ha bajado de las 40 ppm, el límite necesario para poder estudiar el factor de forma del antiprotón. Aunque para ello se requiere repetir el experimento con un campo magnético de 0.65 T, necesario para que la sensibilidad al factor de forma sea máxima. Por ahora, lo más relevante es que la nueva medida está en perfecto acuerdo con la medida para el hidrógeno. El artículo es The ALPHA Collaboration, «Four ppm measurement of the antihydrogen ground-state hyperfine splitting,» Nature 653: 1022-1026 (27 May 2026), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10556-x; más información divulgativa en Rory Harris, «ALPHA measures tiny energy gap in antimatter with improved precision,» News, CERN, 27 May 2026.
El experimento estudia el espectro del antihidrógeno bajo un campo magnético que desdobla los dos niveles electrónicos de la estructura fina en los cuatro niveles de la estructura hiperfina. Los niveles se denominan ∣d⟩, ∣c⟩, ∣b⟩ y ∣a⟩ (de arriba a abajo, véase la figura que abre esta pieza). La trampa magnética se ha diseñado para atrapar los antiátomos en los niveles ∣d⟩ y ∣c⟩, pero no poder atrapar los antiátomos en los niveles ∣b⟩ y ∣a⟩, que abandonan la trampa y se aniquilan contra las paredes del instrumento. En el experimento de forma cilíndrica se inyectan antiprotones por un extremo y positrones por el otro (desde el cual también se inyectan microondas para excitar los antiátomos) que pierden energía cinética gracias a campos eléctricos y magnéticos. Los antihidrógenos se forman en el centro de la trampa magnética, donde son excitados a los niveles ∣d⟩ y ∣c⟩. Luego se procede en dos fases, primero se induce la transición ∣d⟩→∣a⟩, que acaba eliminando todos los antiátomos en estado ∣d⟩, y en una segunda fase la transición ∣c⟩→∣b⟩, que acaba eliminando todos los restantes antiátomos. Luego se repite todo el experimento. Así se puede estimar la estructura hiperfina del estado fundamental del antihidrógeno, que para el hidrógeno corresponde a la famosa línea α a 21 cm (de enorme interés astrofísico).
Una secuencia típica de inyección dura unos 4 minutos y produce unos 100 antiátomos atrapados; se repite hasta atrapar unos 1500 antiátomos en 1 hora (cada experimento separado se replica hasta totalizar unos 24 000 antiátomos analizados). La espectroscopia se realiza con microondas de 28–31 GHz, que excitan de forma secuencial las transiciones de espín positrónico ∣d⟩→∣a⟩, y ∣c⟩→∣b⟩ (el proceso no se puede invertir, ya que al excitar ∣c⟩→∣b⟩ también se produce ∣d⟩→∣a⟩ por resonancia). Los antiátomos que escapan y se aniquilan son registrados en un detector de vértices de silicio. Se hicieron medidas con campos magnéticos de 1.03 T y 1.07 T; las frecuencias se barren en escalera con pasos de 5 kHz y se corrige la deriva temporal del campo magnético, de unos 74 kHz por hora en la frecuencia de resonancia. El experimento tiene muchos detalles en los que no entraré.
La nueva medida también mejora de forma indirecta la separación hiperfina para el estado 2S del antihidrógeno en un factor 26, dando a2S/h = 177 563 ± 18 kHz, que permite acotar el intervalo de Sternheim del antihidrógeno como (8 a2S − a1S)/h = 100 ± 150 kHz. Habrá que estar al tanto de futuros artículos de ALPHA-2 con más medidas realizadas con su trampa magnética de antihidrógenos.